四旋翼飛行器智能控制系統設計

阮仁全

摘 要 四旋翼飛行器在許多領域有著廣闊的應用前景。但是四旋翼飛行器控制系統十分復雜，因此本文以AVR單片機為控制核心，設計具有紅外傳感器智能避障的控制算法，并且擁有良好穩定性的飛行系統的四旋翼飛行器。在此基礎上加裝遠程圖像實時傳輸系統，將圖像實時傳輸回來，從而能做出圖像的實時處理。這樣才可讓飛行器在搶險救災、地質勘查等領域中有效工作，獲得可靠信息，凸顯飛行器的實用價值。

關鍵詞 AVR單片機 避障 圖像傳輸系統 控制算法 搶險救災

一、引言

在一些場合四旋翼飛行器發揮著特有的優勢和重要的作用。四旋翼飛行器機動靈活性強，有高度的機動性和有效承載力。四旋翼飛行器可以在懸空靜止的狀態下瞬時改變其姿態。本文以AVR單片機為控制核心，控制陀螺儀加速計，實現姿態的控制。利用紅外傳感器可探測障礙信息，將信息反饋給單片機，做出適當的措施進行避障。配以無線遙控模塊，可以實現遠程操作控制。與此同時，加上無線視頻模塊輔助，可進行高空拍攝，并將圖像信息實時傳遞，進行無線視頻監控，獲取的圖像傳回指定的服務器上，給工作人員提供必要信息做出決策。

二、四旋飛行器的飛行控制原理

四旋翼飛行器是由2對槳翼組成，飛行動力由這兩對旋翼提供的。通常的情況是，只要控制每一個旋翼上的旋轉速度，而槳葉的槳矩角和旋翼軸均不變。因為飛行器的的各種姿態是由這兩對的槳翼產生的升力和扭力來控制的。槳葉的槳矩角沒有必要來調節。每對旋翼上安裝正反一對的槳葉。這樣，在飛行時正反槳所產生的槳距正好相反，轉矩便可以相互抵消。這樣就達到了整個飛行器的轉矩平衡，不會出現打轉現象。當要改變飛行器的的飛行角度時，改變總的轉矩，即加大兩個正槳或反槳的轉矩即可實現。四旋翼飛行器的飛行速度則是由俯仰角和電機的轉動速度共同決定的。通過這兩者可以達到控制飛行器的目的。圖1為飛行器的飛行原理圖。

（一）四旋翼飛行器的硬件及結構設計

本飛行器的硬件及結構設計主要是由：支撐部分、旋翼部分、飛行控制部分、紅外避障部分、無線遙控部分以及無線圖像傳輸部分組成。

1、支撐部分和旋翼部分

支撐部分即飛行器主機架，由高強度高韌性工程尼龍板、鋁合金方管、不銹鋼高強度螺絲構成，軸矩為550mm，可折疊設計，簡單操作。旋翼部分由電機、槳葉組成。從性能和總重量考慮，選用新西達A2212無刷直流電機，重量48克，選擇kv值為1000，扭力大。選用工作電壓11V，電流 9.9A，轉速7130轉，推力650克的電機?？赏ㄟ^調節電機的占空比來調節電壓，從而實現轉速的調節。根據kv值高配小槳，kv值低配大槳，因此采用與之相應的1045大槳。

（二）飛行控制部分

本飛行器的飛行控制部分主要是由：無刷電調部分、陀螺儀傳感器、加速度傳感器、大氣壓傳感器等部分組成。

1、無刷電調部分

由于無刷電機使用的是三相交流電，和有刷電機不同，沒有電刷。因此要把電池的直流電引入，用電調轉化為三相交流電，從而啟動無刷電機。同時，電調也起著將電機和單片機相連的作用，因為電機工作是需要大電流和大電壓，如果直接將單片機供給大電流的話，單片機則會因電流過大而直接燒毀，不用外部單片機無法提供足夠的電壓電流。因此本文選用了兼容性好的30A的SkyWalker電調。該電調自帶PID控制器，能很好地控制電機，讓飛行器平穩的在空中懸停、飛行。

2、陀螺儀傳感器

為了采集飛行器三個方向的角速率，本文中采用了3個角速度陀螺儀，型號是ENC-03R?？刂破骺赏ㄟ^對陀螺儀輸出的角加速度進行積分計算獲得飛行時要偏離的角度。

3、加速度傳感器

由于陀螺儀使用是會出現溫度漂移現象，在做完一次相反方向的旋轉后，陀螺儀的積分并不為零，存在偏差，在ENC-03R上偏差較厲害些。如果不加以處理出便會出現問題。因此必須用加速度傳感測得數據，然后對所獲得的數據加以修正補償。同時，有一種更好修正補償，就是在此基礎上融入卡曼濾波的方法。本文采用飛思卡爾公司生產的MMA7360型號的加速度傳感器。

4、大氣壓傳感器

在本系統采用了采用了常用的飛思卡爾公司生產的型號MPX4115大氣壓傳感器，此傳感器主要作用是控制飛行器的飛行高度。

（三）紅外避障模塊

為了增強飛行器的適應性，增加了避障模塊。本系統采用廣泛運用的紅外避障模塊。紅外傳感器是一種比較有效的接近覺傳感器。避障傳感器通常是一個紅外發射電路和紅外接收電路組成，這個紅外接收管對38KHz的頻率比較敏感，紅外發射管發射這個波段的紅外線，當碰到障礙物后，紅外波被反射回來，接收管接收到，就可以判斷這個方向上有無障礙物。紅外傳感器的電路如下圖2所示。

（四）無線遙控模塊

為了實現遠程無線遙控，設計中采用了藍牙傳輸模塊。通過將與AVR單片機相連，PC機可以通過藍牙發送器將控制命令傳遞給飛行控制板上的藍牙接收器，當藍牙接收器接受到命令后，可將命令通過UART通訊傳給AVR，再由AVR單片機發出PPM波傳送到姿態控制模塊，來控制飛行器的飛行姿態。

（五）無線視頻模塊

為了解飛行器經過地方的信息，需要進行圖像采集并進行無線傳輸。本設計中，采用的了COMS 208型彩色無線攝像頭。攝像頭芯片內自帶壓縮算法，使得所得圖片數據量較小，便于數據的無線傳輸。數據傳輸采用FM調制，之后接收端經解調后將圖像解壓。得到的圖像通過視頻采集卡傳送到上位機上。

三、系統設計

整個硬件系統的設計如下圖3所示：

四、軟件設計

相對硬件設計，軟件設計才是本設計的難點。因此，本系統采用了C語言編程來完成軟件方面的設計。其功能主要為，完成接收控制指令，對飛行器的姿態進行控制，完成紅外探測到障礙物的避障處理，以及遠程視頻圖像的傳輸。

五、結論

本系統中的飛行器姿態控制是最難的，要完成好姿態的控制必須對陀螺儀采集回來的信息做好相應的處理，但前提是陀螺儀采集的數據是穩定可靠的。但陀螺儀存在溫度漂移，所以應做好修正和補償。修正前后的陀螺儀波形如圖4和如圖5所示。

可以看出修正好后的陀螺儀積分就可以收斂了。這樣便可以較好完成姿態控制了。只有保持好飛行姿態，其他模塊的工作才有意義，才能得以進行，擁有了好的控制算法并配上各模塊的協調工作，飛行器便可以在實際生活多領域得以廣泛運用。

參考文獻：

[1]張鵬，牛蘇鋒，曹宇強，孫來，王琪，基于一種新型四軸搜救飛行器設計[J].江蘇科技大學機電與汽車工程學院，2009.

[2]彭軍橋.四槳碟形飛行器飛行控制系統研究[J].上海大學，2003.12.01.

[3] WILSON J. R. MicroSAR Meets MAV [J]. Aerospace American，1999， 10（2）：32-35.

[4]劉曉杰.基于視覺的微小型四旋翼飛行器位姿估計研究與實現[D].長春：吉林大學，2009.

[5]范承志，王宇峰，林小娥等.一種位置無傳感器無刷直流電動機驅動電路[J].微電機，2001（3）：19-20，24.

[6]曹杰，史金飛，戴敏.基于MEGA8單片機的無傳感器無刷直流電動機控制系統設計[J].自動化儀表，2005，26（12）：13-16.

[7]劉煥曄.小型四旋翼飛行器飛行控制系統研究與設計[J].上海：上海交通大學，2009.

[8]李俊，李運堂.四旋翼飛行器的動力學建模及PID控制[J].中國計量學院，2009.

（作者單位：重慶市工業高級技工學校）